Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізикотехнологічний інститут металів та сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.16.04 - Ливарне виробництво

Розробка енергозберігаючої технології перегрівання чавуну при електромагнітній розливці

Горюк Максим Степанович

Київ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізикотехнологічному інституті металів та сплавів НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, членкореспондент НАН України Дубодєлов Віктор Іванович, завідуючий відділом ФТІМС НАН України, м. Київ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Жуков Леонід Федорович, завідуючий відділом ФТІМС НАН України, м. Київ

кандидат технічних наук Ессельбах Сергій Борисович, доцент кафедри металургії чорних металів Донбаського гірничометалургійного інституту, м. Алчевськ

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра фізикохімічних основ технології металів, м. Київ

Захист відбудеться “27” грудня 2000 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 при Фізикотехнологічному інституті металів та сплавів НАН України за адресою: м. Київ, пр. Вернадського, 34/1, тел.: 4440450

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Фізикотехнологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: м. Київ, пр. Вернадського, 34/1.

Автореферат розіслано “23” листопада 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 доктор технічних наук, професор А. В. Чорновол

1. Загальна характеристика роботи

енергозберігаючий чавун розливка нагрів

Актуальність проблеми. Для технічного переоснащення чавуноливарного виробництва України необхідна розробка нових ресурсозберігаючих технологій та високопродуктивного ливарного устаткування, орієнтованих на одержання якісного, конкурентоспроможного лиття. Тому особливу увагу слід приділяти процесам, пов'язаним із плавкою, обробкою та розливкою чавуну, бо саме на ці технологічні операції припадає більше половини загальних витрат на виготовлення литих заготовок і саме на цих переділах створюються умови для одержання вихідного металу необхідної якості. Дослідження, спрямовані на розробку нових енерго та матеріалозберігаючих технологій і обладнання для підігрівання та розливки чавуну, є вельми актуальними.

Аналіз існуючих процесів плавки і розливки металу в чавуноливарних цехах свідчить, що економічно доцільним є застосування в такому виробництві дуплекспроцесу “плавильний агрегат - індукційний міксер”. Проте традиційна технологія дуплекспроцесу передбачає застосування міксера лише для витримування та підігрівання чавуну, а для розливки використовуються ковші або спеціальні заливальні пристрої. Такі процеси пов'язані з додатковими переливами металу, що призводить до зниження його температури. Для компенсації втрат тепла весь розплав у міксері перегрівають, що спричинює збільшення загальних енерговитрат.

Зазначені вади значною мірою усуваються при використанні в чавуноливарному виробництві розробленої Фізикотехнологічним інститутом металів та сплавів НАН України схеми дуплекспроцесу “плавильний агрегат - магнітодинамічна установка” та нової енергозберігаючої технології перегрівання чавуну при розливці. При реалізації даної технології магнітодинамічна установка набуває функціональних рис магнітодинамічного міксера для перегрівання та розливки чавуну. Крім того, реалізація технології перегрівання металу за допомогою магнітодинамічного агрегату дозволяє витримувати весь об'єм розплаву при зниженій температурі та індукційно підігрівати до заданої температури лише порцію металу, котра зливається з міксера, безпосередньо в процесі електромагнітної розливки. Це дає змогу усунути необхідність витримування усього об'єму розплаву в міксері за високої температури розливки, скоротити енерговитрати на перегрівання та розливку чавуну, зменшити собівартість готової продукції.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі магнітної гідродинаміки і вакуумних технологій Фізикотехнологічного інституту металів та сплавів НАН України в рамках планів науководослідних робіт: тема 1.6.5.372 “Розробити нову технологію позапічної обробки та електромагнітної розливки металу за допомогою МГДобладнання з використанням зміни частоти струму як керуючої дії”, г/д з Міністерством машинобудування України №6331 “Розробка серії МГДобладнання для позапічної обробки і дозованої розливки чавуну в ливарні форми, спеціалізованих систем управління і регулювання”, договір №2/1228 між ФТІМС НАН України та Міністерством України у справах науки і технологій “Розробити технологію та МГДобладнання для обробки чавуну реагентами з застосуванням висококонцентрованих джерел нагріву”. У ході виконання вищезгаданих робіт здобувач приймав активну участь у розробці плану і методики досліджень, технічній підготовці та проведенні експериментів, опрацюванні й узагальненні їхніх результатів, упорядкуванні та оформленні звітної документації.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка енергозберігаючої технології перегрівання чавуну в процесі його електромагнітної розливки з застосуванням магнітодинамічного міксера. Об'єктом дослідження у представленій роботі є процеси теплопереносу в об'ємі рідкого чавуну в умовах зміни теплового стану розплаву шляхом його диференційованого керованого індукційного нагріву в магнітодинамічному міксері, поєднаного з регульованою циркуляцією металу під дією електромагнітних сил. Предметом дослідження є визначення раціональних технологічних режимів перегрівання чавуну при електромагнітній розливці за допомогою магнітодинамічного міксера.

Для досягнення поставленої мети слід було вирішити такі задачі:

розробити і науково обґрунтувати принципову схему нової енергозберігаючої технології з застосуванням магнітодинамічної установки (котра набуває фунціональних рис магнітодинамічного міксера для перегрівання та розливки чавуну). Нова технологія ґрунтується на витримуванні всієї маси чавуну в міксері за температури нижче температури розливки і подальшого перегрівання порції металу безпосередньо в процесі розливки;

визначити залежності, що характеризують протікання процесів теплопереносу при витримуванні, перегріванні та розливці чавуну магнітодинамічною установкою в умовах індукційного нагріву і керованої циркуляції розплаву, зумовленої дією електромагнітних сил;

провести промислову апробацію нової енергозберігаючої технології перегрівання чавуну при електромагнітній розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера і створити алгоритм та функціональну схему для керування таким процесом;

здійснити технікоекономічну оцінку і визначити перспективні напрямки розвитку нової технології та удосконалення магнітодинамічного обладнання для її реалізації.

Для розв'язання поставлених задач було застосовано такі методи дослідження:

математичні розрахунки, що грунтуються на канонічних залежностях теорій теплообміну та електродинаміки, для вивчення електричних та теплових процесів в каналі магнітодинамічної установки;

математичне моделювання, в основу якого покладено закони електродинаміки та теорію різницевих схем, для вивчення розподілу електромагнітних сил в каналі магнітодинамічної установки і зумовленого дією цих сил характеру течії металу, що впливає на процеси теплопереносу;

математичне моделювання, що грунтується на фундаментальних закономірностях механіки суцільного середовища і використанні економічної локальноодномірної схеми Самарського, для вивчення теплових режимів роботи магнітодинамічної установки при її запуску до експлуатації, витримуванні, перегріванні та розливці чавуну, а також для розробки алгоритму та функціональної схеми управління параметрами нової технології;

експериментальні методи для визначення електричних параметрів електромагнітних систем магнітодинамічної установки з метою відпрацювання режимів її роботи;

експериментальні методи для визначення гідродинамічних (витратних) параметрів течії чавуну в магнітодинамічній установці для додержання необхідних характеристик процесів витримування, перегрівання та розливки металу;

термометричні методи вивчення розподілу температури по об'єму чавуну, що перебуває у магнітодинамічній установці, на діючому обладнанні, в тому числі в умовах ливарного цеху, для підтвердження адекватності розробленої математичної моделі, відпрацювання параметрів створюваної енергозберігаючої технології, її досліднопромислової апробації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

запропоновано новий підхід до управління тепловим станом рідкого чавуну при його розливці з застосуванням магнітодинамічного обладнання, який полягає у витримуванні всієї маси металу за низької температури і перегріванні порції розплаву до температури розливки в індукційному каналі під час транспортування цієї порції під дією електромагнітних сил до ливарної форми, що дає змогу суттєво зменшити енергетичні витрати при розливці чавуну;

дістала подальший розвиток ідея використання магнітодинамічного принципу впливу електромагнітних полів на рідкий метал та запропоновано введення теплової енергії до розплаву здійснювати диференційовано, а для керування цим процесом та, відповідно, температурою металу слід незалежно регулювати інтенсивність індукційного нагріву та циркуляції розплаву під дією електромагнітних сил;

дістало подальший розвиток математичне описання процесу перегрівання металу в каналі магнітодинамічної установки та одержані аналітичні залежності, що пов'язують перепад температури рідкого чавуну в системі “канал - тигель” такого обладнання з величиною підведеної електричної потужності та швидкістю транзитної течії металу в каналі установки. Встановлено, що величина перепаду температури чавуну прямо пропорційна до потужності, що виділяється в розплаві, та обернено пропорційна до швидкості течії металу в каналі;

вперше на підставі фундаментальних закономірностей механіки суцільного середовища за допомогою математичної моделі описано процеси теплопереносу в об'ємі чавуну, що перебуває в магнітодинамічній установці, для різних умов введення до розплаву та відведення від нього теплової потужності.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

розроблено нову енергозберігаючу технологію індукційного перегрівання чавуну при його електромагнітній розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера, котра грунтується на принципі диференційованого введення теплової енергії до розплаву за рахунок незалежного регулювання індукційного нагріву та циркуляції металу під дією електромагнітних сил. Визначено раціональні режими індукційного нагріву рідкого чавуну для різних етапів експлуатації магнітодинамічного міксера;

визначено оптимальні конструктивні розміри каналів індукційної частини магнітодинамічної установки, котрі забезпечують рівність температури металу, що надходить на розливку з центрального та бічних каналів. За сталої висоти каналу виконання цієї умови досягається відношенням ширини центрального каналу до ширини зливального як 1:(2,53);

розроблено математичну модель, алгоритм і відповідне програмне забезпечення, що дозволило здійснювати вибір раціональних енергетичних та технологічних параметрів процесу розливки чавуну з застосуванням МГДтехніки. Адекватність розробленої математичної моделі підтверджено серією натурних експериментів на діючому магнітодинамічному обладнанні в умовах ливарного цеху;

- розроблено номограму, що пов'язує встановлені технологічним процесом витратні та температурні вимоги до процесу розливки чавуну з параметрами електромагнітних систем магнітодинамічного міксера;

- одержано залежності зміни температури чавуну в діапазоні 12501550 С від підведеної до розплаву електричної потужності до 2000 кВт та від швидкості руху металу в каналі магнітодинамічної установки 0,010,5 м/с, а також визначено закономірності зміни температури металу в процесі його розливки для діапазону маси порцій, що розливаються, 10500 кг і масової витрати при розливці 110 кг/с;

порівняння розробленої й існуючих технологій розливки чавуну показало, що застосування нової технології дозволяє на 2840% скоротити енерговитрати при реалізації технологічного процесу розливки металу;

запропоновано нові принципові схеми магнітодинамічного обладнання для перегрівання та розливки металу, що є розвитком розробленого способу диференційованого індукційного нагріву розплаву, які вирізняються підвищеною потужністю індукційної частини, оптимізованою геометрією каналу, а також застосуванням при їхній експлуатації комп'ютеризованої системи управління режимами роботи.

На захист виносяться:

нова технологія індукційного перегрівання рідкого чавуну в процесі його електромагнітної розливки з застосуванням магнітодинамічного міксера;

результати досліджень електромагнітних та магнітогідродинамічних процесів у магнітодинамічній установці за різних схем підключення її електричних систем;

результати досліджень процесів теплопереносу та перегрівання металу в каналі магнітодинамічної установки під дією електричних і електромагнітних полів;

математична модель процесів теплопереносу в чавуні, що перебуває у магнітодинамічній установці, в різних режимах роботи установки;

алгоритм і номограма для керування технологічними режимами індукційного, у тому числі диференційованого, нагріву рідкого чавуну в магнітодинамічному міксері на різних етапах його роботи;

результати досліднопромислової перевірки розробленої енергозберігаючої технології перегрівання чавуну при електромагнітній розливці, включно з її технікоекономічною оцінкою;

рекомендації щодо практичного застосування нової технології та перспективи її розвитку і створення нового покоління магнітодинамічного обладнання.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора відображено у таких положеннях, винесених на захист:

розробка нової технології індукційного диференційованого перегрівання чавуну в процесі його електромагнітної розливки з застосуванням магнітодинамічного міксера;

аналітична оцінка процесів теплопереносу в чавуні у індукційному каналі;

участь у розробці математичної моделі для дослідження теплових режимів роботи магнітодинамічної установки, проведення серії обчислювальних експериментів, опрацювання, аналіз та узагальнення одержаних результатів;

розробка номограми та алгоритму управління тепловим станом чавуну в різних режимах роботи магнітодинамічного міксера;

участь у досліднопромисловій перевірці нової енергозберігаючої технології перегрівання чавуну при електромагнітній розливці. Експериментальне відпрацювання раціональних режимів перегрівання чавуну в магнітодинамічній установці. Опрацювання, аналіз, узагальнення результатів натурних досліджень. Розробка рекомендацій стосовно раціональних режимів технологічного процесу та подальшого розвитку таких технологій;

підготування заявок на винаходи та публікацій за темою дисертації.

Автор висловлює щиру подяку зав. відд. математичних методів дослідження та комп'ютерних технологій ФТІМС НАНУ, д. т. н. Миколі Івановичу Тарасевичу і ст. наук. співроб. відділу магнітної гідродинаміки і вакуумних технологій ФТІМС НАНУ, к. т. н. Віктору Костянтиновичу Погорському, під чиїм керівництвом було проведено комплекс досліджень за тематикою роботи, узагальнено та належним чином оформлено результати цих досліджень.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертації доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науковотехнічній конференції “Виробництво сталі в ХХІ сторіччі. Прогноз, процеси, технології, екологія” (Київ-Дніпродзержинськ, 2000 р.), Міжнародній науковотехнічній конференції “Ливарнометалургійні процеси. Нові технології, матеріали й устаткування” (Київ, 1998 р.), науковотехнічній конференції молодих спеціалістів “Азовсталь-98” (Маріуполь, 1998 р.), на науковотехнічних семінарах відділу магнітної гідродинаміки і вакуумних технологій ФТІМС НАН України.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 наукових статей та одержано 2 патенти України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 141 найменування, 3 додатків. Дисертаційна робота містить 114 сторінок машинописного тексту, 64 рисунки, 10 таблиць, 52 формули.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, визначені мета та задачі досліджень, сформульовані наукові положення, що виносяться на захист, та їхнє практичне значення.

У першому розділі на підставі літературного огляду проведено аналіз сучасних технологічних процесів плавки, перегрівання та розливки чавуну, обгрунтовано доцільність розробки і впровадження у виробництво нових технологій та обладнання для реалізації цих процесів. Розглянуто магнітодинамічний принцип дії на рідкий метал, вказано переваги магнітодинамічного обладнання при використанні його у вищезгаданих технологічних процесах. Показано можливість індукційного перегрівання порції чавуну при електромагнітній розливці за допомогою магнітодинамічного міксера. Це дає змогу суттєво зменшити енерговитрати та поліпшити технікоекономічні показники процесу розливки чавуну. В другому розділі вивчено магнітогідродинамічні, електричні та теплові процеси в робочій зоні і каналах двохіндукторної МГДустановки. У магнітодинамічних установках незалежно від їхнього конструктивного виконання рух металу спричинюється дією об'ємної електромагнітної сили F_e, збуджуваної в робочій зоні каналу внаслідок взаємодії електричного струму в розплаві з зовнішнім магнітним полем, створеним електромагнітом. Ця сила описується відомим канонічним рівнянням:

де - густина електричного струму в робочій зоні каналу, А/м²;

- індукція магнітного поля в робочій зоні, Тл;

- область взаємодії електричного струму та зовнішнього магнітного поля, м³.

У той же час електричний струм, крім робочої зони, проходить також рідким металом, що перебуває в каналах індукційної частини. Як наслідок, в цих каналах згідно з законом Джоуля-Ленца виділяється тепло. Якщо врахувати, що в каналах індуктується електричний струм значної величини - (0,55)10⁴ А, то це дає змогу здійснювати інтенсивний нагрів металу. Проте при цьому слід забезпечити відведення тепла з каналів до тигля установки, бо в іншому разі істотно збільшуються тепловтрати та зменшується стійкість футеровки. З формули (1) випливає, що необхідну величину електромагнітної сили та відповідний нагрів металу в каналі можна досягти за різних співвідношень електричного струму і магнітного поля в робочій зоні.

Спираючись на рівняння теплового балансу, одержали аналітичні залежності для визначення величини перегрівання металу в каналах установки. Показано, що за сталих геометричних розмірів каналів інтенсивність нагріву металу прямо пропорційна до потужності індуктора й обернено пропорційна до швидкості течії металу, що характеризується числом Рейнольдса . Встановлено, що для діапазону індуктування електричного струму (21010⁶ А/м²) для забезпечення перегрівання металу в каналі в режимі розливки від 50 до 200 С критерій Рейнольдса в потоці розплаву в каналі має змінюватися від 2,310⁴ до 0,510².

Для розробки раціональних режимів течії металу в каналах магнітодинамічних установок розподіл електромагнітних сил у робочій зоні каналу досліджували методами математичного моделювання.

Встановлено, що при живленні електромагнітних систем (двох індукторів та електромагніта) напругами, початкові фази яких (відповідно ) дорівнюють нулю, вектори електромагнітних сил спрямовані у бік центрального каналу. В такому разі в робочій зоні відбувається нагнітання металу до центрального каналу, і реалізується режим перемішування, характерний для витримування та нагріву розплаву у тиглі установки. При зміні початкової фази напруги живлення однієї з електромагнітних систем відбувається зміна напрямку електромагнітних сил. Так, у разі, якщо , , із збільшенням вектор електромагнітних сил розвертається, і при електромагнітні сили в робочій зоні спрямовані головним чином у бік зливального каналу, що характерно для роботи установки в режимі розливки металу.

Результати чисельного розрахунку електромагнітних сил у хрестоподібній робочій зоні каналу показують, що, змінюючи електричні параметри в кожній з електромагнітних систем, можна активно керувати інтегральним значенням електромагнітних сил і регулювати характеристики течії металу в робочій зоні та каналах двохіндукторної індукційної частини.

З застосуванням чисельних методів проведено розрахунок течії чавуну в робочій зоні за різного співвідношення геометричних розмірів, електромагнітних сил і швидкостей у діапазоні зміни критеріїв(0)210³;010¹⁰. Розрахунки показали, що структура течії металу в робочій зоні залежить від величини прикладених електромагнітних сил . Із збільшенням по периметру робочої зони виникає інтенсивний вихоровий рух металу, що деформує основний потік розплаву в робочій зоні. Встановлено, що із збільшенням ширини поля сил вихор зміщується вглиб бічних каналів.

Крім цього, із збільшенням ширини поля електромагнітних сил збільшується потік рідкого металу з бічних каналів до зливального. На основі проведених досліджень зроблено вибір конструктивних розмірів робочої зони. Зокрема, встановлено, що за рівності висоти робочої зони та каналів на ділянці розміщення полюсу електромагніта ширина зливального каналу має бути в 2,53 рази більша, ніж ширина центрального каналу. В такому разі до зливального каналу рідкий метал рівномірно надходить як з центрального, так і з бічних каналів.

У третьому розділі розглянуто результати математичного моделювання теплових процесів у магнітодинамічній установці для перегрівання та розливки чавуну.

Складність безпосередніх теплових та гідродинамічних вимірів у рідкому чавуні через його високу температуру і агресивність зумовила необхідність проведення досліджень теплових процесів, що протікають у магнітодинамічній установці, із застосуванням методів математичного моделювання. Математичну модель для дослідження теплових режимів роботи магнітодинамічної установки було розроблено під керівництвом зав. відд. математичних методів дослідження та комп'ютерних технологій ФТІМС НАНУ, д. т. н. Миколи Івановича Тарасевича. Запропонована математична модель грунтується на фундаментальних закономірностях механіки суцільного середовища.

При розробці математичної моделі були сформульовані вихідні передумови, згідно з якими зміна теплового стану аналізованого об'єму металу може бути описана рівнянням теплопроводності в ентальпійній формі:

(2)

ентальпія; температура; відповідно питома теплоємність, густина та коефіцієнт теплопровідності матеріалу, що є функціями температури; поточна координата; прихована теплота кристалізації; частка рідкої фази в об'ємі металу; поточний час; об'ємна щільність теплових джерел у зоні індукційного нагріву.

Початкова умова запишеться в такому вигляді:

(3)

За умови симетрії і зміні теплообміну згідно з законом НьютонаРіхмана граничні умови наберуть вигляду:

(4)

(5)

де зовнішній радіус досліджуваної області; коефіцієнт теплообміну; температура зовнішнього середовища, з яким відбувається теплообмін, різна для зони каналу та тигля установки. Для розв'язання задачі (2)-(5) використано економічну локальноодномірну схему Самарського. Обчислювальний експеримент проводився на ПЕОМ.

Дану методику використано для вивчення теплових режимів роботи магнітодинамічної установки на всіх стадіях її експлуатації:

- запуск установки в роботу;

- витримування та індукційний нагрів рідкого чавуну в тиглі установки;

- індукційне перегрівання чавуну при розливці в ливарні форми (ковші).

Для перевірки адекватності запропонованої математичної моделі та розробленого програмного забезпечення реальному процесу порівняли результати натурних досліджень нагріву рідкого чавуну на діючій магнітодинамічній установці в умовах ливарного цеху з даними, одержаними розрахунком. Відхилення розрахованої температури від експериментальних значень не перевищувало 5%, що свідчить про достатній ступінь достовірності запропонованої моделі для вивчення теплового стану металу у магнітодинамічній установці.

На початку чисельних досліджень проводили дослідження теплових характеристик установки в режимі запуску при розігріві та спіканні футеровки. Визначали характер зміни температури рідкого чавуну в тиглі та каналі установки залежно від маси металу, що спочатку заливається до тигля, температури попереднього розігріву стінок вогнетривкої футеровки, потужності індуктора, швидкості руху розплаву в каналі. При проведенні обчислювального експерименту прийняли, що вихідна температура чавуну, який заливається до установки, змінювалася в межах 13001400 ^оС.

При цьому можна виділити три часові етапи.

На першому етапі, після заливання до тигля вихідного рідкого чавуну, через контакт з холодними стінками футеровки спостерігається зниження температури металу, незважаючи на індукційний нагрів розплаву: за потужності індуктора 100 кВт та температури стінок футеровки 500 ^оС температура чавуну в установці знижується з 1400 ^оС до 12301250 ^оС, при розігріві стінок футеровки до 750 ^оС температура металу зменшується на 3540 ^оС, при збільшенні температури розігріву стінок футеровки до 1000 ^оС температура чавуну в тиглі знижується лише на 1015 ^оС і практично сумірна з температурою чавуну, що заливається до установки. На другому етапі маємо зростання температури металу до початкового значення, а для третього етапу характерне перегрівання чавуну вище температури його заливання до установки.

Як наслідок аналізу результатів обчислювального експерименту з вивчення особливостей режиму запуску розроблено технологію спікання футеровки установки. При запуску установки небажано перегрівати чавун. Температура металу в тиглі визначається режимом спікання футеровки, тому вона має бути в межах 13501500 ^оС, а швидкість її зростання від нижнього значення не повинна перевищувати 2025 ^оС/год. При досягненні рідким чавуном температури 1500 ^оС слід провести технологічне витримування металу протягом 23 годин для повного прогріву та спікання вогнетривкої маси робочого шару стінок футеровки. Після цього можна переходити до експлуатації установки в різних технологічних режимах.

Чисельний розрахунок теплових та експлуатаційних параметрів магнітодинамічної установки в режимі запуску відпрацьовували стосовно до роботи такого агрегату на сірому чавуні для технологічного процесу виготовлення виливків деталей сільськогосподарських машин. Розроблені теплові режими запуску забезпечували вихід установки на робочий режим у середньому протягом 5 6 годин. При цьому термін служби футеровки складав 89 місяців безперервної експлуатації установки.

Вивчено динаміку нагріву металу в установці в режимі витримування металу. Встановлено, що інтенсивність нагріву залежить від потужності індукційної частини, швидкості течії розплаву в каналі, маси металу в тиглі. Існуючі магнітодинамічні установки для чавуну забезпечують перегрівання на 100 С лише 35 т/год розплаву, що розливається, тому вони можуть використовуватися тільки в малопотужних ливарних цехах. Для чавуноливарних цехів при розливці до 25 т металу за годину необхідна розробка нового класу установок з електричною потужністю індукційної частини не менш як 1000 кВт та корисною місткістю не менше 10000 кг рідкого чавуну.

Визначено теплові втрати магнітодинамічної установки залежно від температури та маси чавуну, що перебуває в ній, що полегшило вибір потужності індуктора для додержання режиму витримування розплаву в установці. Встановили, що збільшення маси чавуну в установці з 1500 до 4000 кг та його температури з 1250 до 1550 С призводить до зростання тепловтрат магнітодинамічної установки у 3,5 рази.

Особливістю розливки чавуну з застосуванням магнітодинамічної установки є те, що при розливці метал проходить через канали, у яких відбувається його індукційний нагрів. Вивчено особливості нагріву чавуну при його розливці магнітодинамічною установкою для характерних режимів (розливка порцій чавуну масою 10500 кг з масовою витратою 110 кг/с). Так, для забезпечення сталої температури розливки збільшення масової витрати при видачі металу з установки потребує одночасного збільшення потужності індуктора. Обчислювальний експеримент також свідчить, що протягом усього виробничого циклу зі зменшенням маси чавуну в установці за фіксованої потужності індуктора інтенсивність нагріву металу зростає, і тому задля стабілізації температури розливки слід зменшувати потужність індуктора. В такому разі для забезпечення встановлених виробничою програмою та технологією витратних характеристик при розливці слід синхронно збільшувати потужність електромагніта установки.

Проведено порівняльний аналіз енергетичних витрат при розливці металу: за старою технологією - розігрів усієї маси металу до температури розливки та витримування розплаву з такою температурою протягом всього циклу розливки, і за новою технологією - коли чавун витримується за низької температури та перегрівається до температури розливки безпосередньо при подачі його з каналу магнітодинамічної установки до ливарних форм. Встановлено, що найбільші питомі енерговитрати мають місце при розливці незначних за масою (1025 кг) порцій металу. Загальна економія енергоресурсів при розливці чавуну за новою технологією в порівнянні зі старою сягає 28 40%.

У четвертому розділі розроблено нову технологію індукційного перегрівання чавуну при електромагнітній розливці та наведено результати її досліднопромислової перевірки.

За новою технологією реалізується найкоротша технологічна схема розливки металу: “плавильна піч - магнітодинамічна установка - ливарна форма”. Використовувана в якості вторинного агрегату наведеної технологічної схеми магнітодинамічна установка поєднує в собі функції, з одного боку, накопичення, витримування та можливої позапічної обробки чавуну, а з іншого - розливки металу з забезпеченням індукційного перегрівання розплаву при подачі його до ливарних форм, тобто функціонально вона (установка) стає магнітодинамічним міксером для перегрівання та розливки чавуну.

Сутність розробленого технологічного процесу полягає в тому, що в режимі витримування вся маса чавуну в міксері має мінімально припустиму температуру, скажімо, 13001320 С. В такому разі потужність індуктора вибирають, виходячи з умови компенсації теплових втрат міксера за такої температури чавуну для даної маси розплаву.

У режимі розливки металу до індукційної частини магнітодинамічного міксера підводять максимальну електричну потужність, змінюють гідродинаміку течії металу та здійснюють його порційну керовану розливку. Метал з тигля за температури, наприклад, 1300 С надходить до каналу індукційної частини, де за час проходження по ньому під дією електричного струму перегрівається до температури, скажімо, 1500 С, та відразу ж через зливальний носок видається до ливарної форми (ковша). У цьому режимі на електромагніті вибирають напругу, що забезпечує таку електромагнітну силу та відповідно таку швидкість течії металу, за якої перегрівання чавуну в каналі становитиме 200 С. В результаті перегрітий метал з каналу до тигля міксера не надходить, а вся електрична потужність індукційної частини передається у вигляді тепла незначній масі розплаву, що зливається. Залежності між наведеними параметрами процесу при зміні їхніх значень: потужність індуктора 01000 кВт, потужність електромагніта 060 кВт, маси порції, що зливається з магнітодинамічного міксера, =10500 кг, масової витрати при розливці 110 кг/с - покладено в основу розробленої номограми, за допомогою якої залежно від необхідної величини перегрівання та заданої масової витрати металу при розливці визначаються електричні параметри індуктора й електромагніта міксера для кожного типорозміру виливків, що виготовляються. Для зміни електричних параметрів у мережі живлення електромагнітних систем міксера встановлюють автотрансформатори або тиристорні перетворювачі. Контроль параметрів електромагнітних систем здійснюють за допомогою показуючих приладів, встановлених у шафі управління міксером. Температуру металу в тиглі та зливальному каналі міксера контролюють за допомогою термометричного датчика, наприклад, установки безперервного контролю температури конструкції ФТІМС НАН України, основним елементом котрої є світловодний пристрій.

Для програмного керування технологічним процесом перегрівання металу при розливці розроблено алгоритм та схему, відповідно до яких реалізуються раціональні режими роботи магнітодинамічного міксера, починаючи з моменту введення його до експлуатації та закінчуючи технологічною операцією розливки чавуну.

Проведено експериментальне відпрацювання параметрів нової технології індукційного перегрівання чавуну на натурних магнітодинамічних установках.

На першому етапі цих робіт досліджували параметри електромагнітних систем установки, що визначають можливість управління теплофізичними та гідродинамічними умовами процесу індукційного нагріву і електромагнітної розливки чавуну. Напруга живлення електромагнітних систем магнітодинамічної установки змінювалася в межах 0ч380 В. Встановлено, що за фіксованої напруги на одній з систем залежність витратних характеристик течії металу від зміни живлячої напруги іншої системи має лінійний характер.

Промислову перевірку нової технології перегрівання чавуну при розливці здійснено в діючих ливарних цехах при виготовленні виливків з чавунів такого хімічного складу, % мас.: 1) С - 3,1ч3,3, Si - 1,7ч2,2, Mn - 0,7ч1,2, P і S - ?0,08; 2) С - 3,0ч3,2, Si - 1,5ч1,7, Mn - 0,35ч 0,45, S - 0,08ч0,1, P - 0,07ч0,09, Cr - 0,2ч0,3; 3) С - 2,8ч2,9, Si - 1,3ч1,6, Mn - 0,4ч0,45, P і S - ?0,13, Cr - 0,04ч0,06. Вихідний чавун виплавляли в індукційній печі ИЧТ10, дуговій печі ДСП6 та коксовій вагранці продуктивністю 3,0 т/год. За температури вихідного розплаву 1380ч1400 С чавуном заповнювали ливарний ківш місткістю 3,0 т і транспортували його на ділянку розливки до автоматичної ливарної лінії, де розташовувалася експериментальна магнітодинамічна установка корисною місткістю 3,0 т з електричною потужністю індукційної частини до 300 кВт. Здійснювали заливання чавуну до тигля установки, після чого проводили дослідження з вимірювання температури металу за різних режимів роботи обладнання.

Випробувано технологічний процес розливки чавуну, при якому здійснювалося перегрівання порції металу в процесі її розливки. У ході експерименту проводили розливку порцій масою 20 кг з масовою витратою 3 кг/с та 1 кг/с. Встановлено, що для масової витрати 3 кг/с при потужності індуктора 140 кВт перегрівання становить 8 С, при 200 кВт - 12 С, при 300 кВт - 17 С. При 1 кг/с внаслідок збільшення тривалості розливки порції для 140, 200 і 300 кВт її перегрівання в процесі видачі з агрегату становило відповідно 25 С, 35 С та 50 С.

Досліднопромислова перевірка розробленої технології підтвердила можливість індукційного перегрівання чавуну в каналі магнітодинамічної установки та гнучкого керування температурою металу під час електромагнітної розливки відповідно до технологічних вимог, що є надзвичайно важливим з точки зору економії матеріалів, енергоресурсів та забезпечення високої якості литих заготовок.

Розроблена технологія перегрівання чавуну при розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера має багатоплановий характер. Вона може використовуватися в ливарному виробництві при виготовленні широкої номенклатури виливків із різноманітних марок сірого, високоміцного та спеціальних чавунів на ливарних конвеєрах, автоматичних ливарних лініях, відцентрових і кокільних машинах, при безперервному литті.

Застосування нової технології при виробництві виливків з чавуну дозволяє:

- скоротити витрату електроенергії при витримуванні, перегріванні та розливці чавуну на 5 8 кВтгод/т;

- знизити угар основних та легуючих елементів сплаву на 25%;

- збільшити в 1,21,5 рази термін роботи футеровки магнітодинамічного міксера та зменшити витрати на вогнетривкі матеріали на 1015%;

- підвищити безпеку роботи міксера за рахунок зменшення металостатичного тиску на футеровку індукційної частини та покращення температурних режимів роботи міксера;

- поліпшити екологічні умови праці.

Порівняння собівартості виготовлення лиття за новою та традиційною технологіями свідчить, що річний економічний ефект від застосування нової технології індукційного перегрівання чавуну в процесі розливки та відповідного обладнання (магнітодинамічного міксера) для реалізації цієї технології становитиме 51,3 тис. грн. на програму виготовлення 5 тисяч тонн виливків.

Загальні висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми управління тепловим станом металевого розплаву при його індукційному нагріві, поєднаному з циркуляцією під дією електромагнітних сил. Проблему було вирішено на основі закономірностей механіки суцільного середовища, теорій теплообміну, електродинаміки та різницевих схем з використанням математичних розрахунків і моделювання, а також експериментальних методів дослідження. Вирішення проблеми дозволило розробити нову енергозберігаючу технологію індукційного перегрівання чавуну при його електромагнітній розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера.

1. Проведено аналіз теплових режимів та енергетичних витрат процесу розливки чавуну в ливарних цехах, котрий показав, що даний процес здійснюється головним чином ливарними ковшами і характеризується значними тепловтратами металу. Це призводить до значної зміни температури, ливарних властивостей чавуну при розливці, зумовлює нестабільність фізичних властивостей та литої структури виливків. Для компенсації тепловтрат і забезпечення необхідних за технологією ливарних властивостей вихідний метал, як правило, перед розливкою перегрівають, що спричинює додаткові витрати енергоресурсів.

2. Розглянуто конструктивні особливості електротехнологічних індукційних установок канального типу для підігріву та розливки чавуну. Показано, що ефективність теплопереносу в системі “канал - ванна” таких установок головним чином залежить від конструктивного виконання та геометрії каналу й однозначно пов'язується з величиною електричного струму в каналі. Це обмежує можливості керування течією металу та переносом тепла з каналу у ванну установки. За принципом своєї дії застосовуване у виробництві відоме технологічне обладнання забезпечує перегрівання та витримування при високій температурі тільки всієї маси металу у ванні; при цьому питома витрата енергії на підігрів металу при розливці в порівнянні з визначеною теоретично збільшується в 1,52,5 рази.

3. Розглянуто магнітодинамічний принцип впливу на рідкий метал, що забезпечує індукційний підігрів та керування течією розплаву під дією електромагнітних сил. Створене на цьому принципі обладнання забезпечує незалежне управління тепловими та гідродинамічними параметрами рідкого металу при розливці. Також є можливість здійснювати перегрівання металу в каналі, саме з якого він, власне, відбирається на розливку, безпосередньо під час руху розплаву до зливального каналу, що дозволяє значно скоротити витрати енергоресурсів.

4. Проведено теоретичний аналіз нагріву та течії металу в двохіндукторній магнітодинамічній установці. Одержано аналітичні вирази для визначення динаміки нагріву металу в каналі та тиглі установки. Встановлено залежності зміни температури металу по довжині каналу від величини індуктованого в ньому електричного струму та швидкості течії металу. Встановлено, що зростання швидкості циркуляції металу в системі “канал - тигель” магнітодинамічної установки спричинює зменшення перегрівання розплаву та, відповідно, вирівнювання його температури по об'єму. Показано, що перерозподіл електромагнітних сил у робочій зоні дозволяє керувати течією металу як у режимі його перемішування, так і в режимі розливки.

5. Розроблено математичну модель для вивчення динаміки нагріву металу в каналах та тиглі в різних режимах роботи магнітодинамічної установки. Вивчено залежності нагріву металу в режимі запуску установки, завдяки чому визначено оптимальні значення температури розігріву футеровки перед запуском установки (її слід розігрівати до температури близько 1000 С), маси та температури вихідного чавуну (вони мають становити відповідно 3040% корисної місткості установки та 13001400С), що виключають небезпеку руйнування футеровки внаслідок термоудару та забезпечують тривалий термін її роботи. На основі проведених досліджень розроблені рекомендації та технологія запуску установки в дію. Порівняння результатів обчислювального експерименту, одержаних із застосуванням розробленої математичної моделі, з даними натурних вимірювань температури чавуну в магнітодинамічній установці показало, що вони різняться між собою не більш як на 5%, що свідчить про достатню ступінь достовірності розробленої математичної моделі.

6. Вивчено характер нагріву та зміни температури чавуну в каналі магнітодинамічної установки в режимах витримування, перегрівання та розливки металу. Визначено теплові втрати магнітодинамічної установки та вивчено динаміку нагріву чавуну в ній залежно від маси та температури чавуну. Встановлено, що збільшення маси розплаву, що перебуває в установці, з 1500 до 4000 кг та його температури з 1250 до 1550 С призводить до зростання тепловтрат магнітодинамічної установки у 3,5 рази. Показана можливість перегрівання металу в каналі при розливці на 150 200 С та керування температурою шляхом регулювання теплової потужності, що виділяється у розплаві (тобто електричними параметрами індуктора: 01000 кВт), і гідродинаміки течії металу в каналі (для масової витрати в межах 110 кг/с швидкість руху металу в каналі магнітодинамічної установки в режимі розливки змінюється відповідно з 0,023 до 0,23 м/c), котра визначається електричними параметрами як індуктора, так і електромагніта установки.

7. Здійснено порівняльний аналіз енергоємкості технологічного процесу розливки чавуну за традиційною та новою технологіями. Показано, що використання магнітодинамічної установки, яка дозволяє здійснювати перегрівання порції металу безпосередньо при видачі її з агрегату до ливарних форм (ковшів), забезпечує зниження енерговитрат процесу розливки на 2840% (залежно від маси порцій металу, що розливаються). Найбільші питомі енерговитрати мають місце при розливці малих порцій чавуну (1025 кг) через необхідність витримувати значні об'єми розплаву в установці за високої температури.

8. Розроблено нову технологію індукційного перегрівання чавуну в каналі магнітодинамічного міксера при електромагнітній розливці. Розроблено номограму, що дозволяє забезпечувати вимоги технологічного процесу розливки чавуну (температурні та витратні показники) шляхом регулювання параметрів електромагнітних систем магнітодинамічного міксера при одночасному зменшенні енерговитрат. Розроблено алгоритм та схему для реалізації запропонованої технології у діючих чавуноливарних цехах.

9. Показано можливість застосування магнітодинамічної установки в якості міксера для перегрівання та розливки чавуну. На експериментальній установці в умовах ливарного цеху проведене відпрацювання експлуатаційних параметрів її електромагнітних систем, підтверджено можливість управління тепловими та гідродинамічними (витратними) параметрами процесу розливки чавуну.

10. Визначено технікоекономічну ефективність нової технології порівняно з традиційною при виготовленні з чавуну виливків загального та сільськогосподарського машинобудування. Річний економічний ефект від впровадження нової технології становитиме 51,3 тис. грн. на програму виготовлення 5000 т лиття.

11. Розглянуто перспективи розвитку технології індукційного перегрівання та електромагнітної розливки чавуну, наведено захищені патентами України принципові конструкції МГДпристроїв для її реалізації.

Основні публікації за темою дисертації

1. Погорский В. К., Дубоделов В. И., Горюк М. С., Райченко А. А. Новая энергосберегающая технология и миксерыдозаторы магнитодинамического типа для выдержки, перегрева и разливки чугуна // Процессы литья. - 2000. - №2. - С. 4049.

2. Тарасевич Н. И., Дубоделов В. И., Погорский В. К., Кошевой И. К., Горюк М. С., Рыбицкий А. И., Гнилоскуренко С. В. Математическое моделирование тепловых режимов в миксередозаторе магнитодинамического типа для подогрева и разливки чугуна // Проблемы специальной электрометаллургии. 1998. №4. С. 5862.

3. Дубодєлов В. І., Тарасевич М. І., Погорський В. К., Горюк М. С., Рибіцький О. І. Реалізація енергозберігаючої технології індукційного перегрівання чавуну при електромагнітній розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера // Металознавство та обробка металів. - 2000. - №4. - С. 5357.

4. Погорский В. К., Дубоделов В. И., Горюк М. С. Миксердозатор для подогрева и разливки чугуна // Литейное производство. 1998. №1. С. 2829.

5. Дубоделов В. И., Погорский В. К., Горюк М. С., Гнилоскуренко С. В. Анализ процесса заливки литейных форм в чугунолитейных цехах Процессы литья. 1998. №2. С. 7074.

6. Дубоделов В. И., Погорский В. К., Горюк М. С. Вопросы экономии энергоресурсов в условиях нестабильной работы чугунолитейных цехов Металл и литьё Украины. 1997. №5. С. 56.

7. Пат. 20415А Україна, МКИ⁶, В 22 D 39/00. Пристрій для розливання рідкого металу: Пат. 20415А Україна, МКИ⁶ В 22 D 39/00 / Дубодєлов В. І., Погорський В. К., Горюк М. С. (Україна); ФТІМС НАНУ. №96124946; Заявл. 27.12.96; Опубл. 25.12.97, Бюл. №6. - 5 с. іл.

8. Пат. 24403А Україна, МКИ⁶ В 22 D 39/00. Пристрій для приготування та роздачі металу: Пат. 24403А Україна, МКИ⁶ В 22 D 39/00 / Дубодєлов В. І., Погорський В. К., Горюк М. С. (Україна); ФТІМС НАНУ. №97041759; Заявл. 15.04.97; Опубл. 17.07.98, Бюл. №5. - 5 с. іл.

Аннотация

Горюк М. С. Разработка энергосберегающей технологии перегрева чугуна при электромагнитной разливке. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 - “Литейное производство”. - Физикотехнологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертационная работа посвящена разработке энергосберегающей технологии индукционного перегрева чугуна при его электромагнитной разливке с применением магнитодинамического миксера. Рассмотрено современное состояние процесса разливки чугуна в литейных цехах, указаны энергетические недостатки применяющихся для этого технологических схем и оборудования.

Предложена новая технология разливки чугуна, основанная на принципе дифференцированного нагрева металла. Суть этого принципа состоит в выдержке основной массы чугуна в устройстве при пониженной температуре и интенсивном перегреве до температуры разливки лишь сливаемой порции металла непосредственно при её выдаче.

Наиболее полно предложенный принцип и технология реализуются с применением двухиндукторной магнитодинамической установки. Благодаря наличию двух электромагнитных систем и горизонтальному расположению индукционной единицы с токонесущим каналом данная установка позволяет оперативно, гибко и независимо управлять тепловым состоянием находящегося в ней чугуна за счёт регулирования выделяемой в расплаве тепловой мощности и скорости движения металла. Отбор жидкого металла на разливку в такой установке производится непосредственно из зоны его нагрева - канала. Кроме того, применение магнитодинамической установки в процессах получения чугунного литья позволяет реализовать самую короткую технологическую цепочку. При этом установка приобретает новые функциональные качества магнитодинамического миксера, так как она служит для накопления, выдержки, перегрева и порционной разливки чугуна в литейные формы.

Исследовано влияние тепловых и гидродинамических факторов на величину перегрева металла в системе “канал - тигель” магнитодинамической установки. Показано, что увеличение интенсивности циркуляции расплава способствует более равномерному распределению тепловой мощности, выделяющейся в канале, по объёму металла и усреднению его температуры.

Методами математического моделирования изучено распределение электромагнитных сил в канале двухиндукторной магнитодинамической установки в зависимости от параметров электромагнитных систем и обуславливаемый этим распределением характер движения металла в канале. При этом создаются условия для реализации режимов перемешивания и разливки металла, а также промежуточных режимов. Исходя из условия равенства температур металла, поступающего на разливку из боковых и центрального каналов установки, определено оптимальное соотношение ширины центрального и сливного каналов, составляющее 1:(2,53).